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KR102654914B1 - 진상각 제어기 - Google Patents

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KR102654914B1
KR102654914B1 KR1020160168290A KR20160168290A KR102654914B1 KR 102654914 B1 KR102654914 B1 KR 102654914B1 KR 1020160168290 A KR1020160168290 A KR 1020160168290A KR 20160168290 A KR20160168290 A KR 20160168290A KR 102654914 B1 KR102654914 B1 KR 102654914B1
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control signal
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이명석
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현대자동차주식회사
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Abstract

브러쉬리스 직류 모터의 회전자 위치를 검출하는 홀센서 신호와 진상각 보상 시점을 결정하는 진상각 제어 신호를 기반으로 브러쉬리스 모터의 상전류를 변환하는 과정에서 홀센서 신호와 진상각 제어 신호가 정확하게 동기화되지 않는 경우 발생하는 글리치(glitch) 현상이 발생하는 것을 억제할 수 있는 진상각 제어기가 개시된다.

Description

진상각 제어기{LEAD ANGLE CONTROLLER}
본 발명은 진상각 제어기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모터의 회전자 위치를 검출하는 홀센서 신호와 진상각 보상 시점을 결정하는 진상각 제어 신호를 기반으로 모터의 상전류를 변환하는 과정에서 홀센서 신호와 진상각 제어 신호가 정확하게 동기화되지 않는 경우 발생하는 글리치(glitch) 현상이 발생하는 것을 억제할 수 있는 진상각 제어기에 관한 것이다.
일반적으로, 브러쉬리스 직류(Brushless Direct Current, BLDC) 모터는 직류 모터에서 기계적인 접촉 구조로 구비되는 정류자와 브러쉬를 없애고, 이를 전자적인 정류기구로 대체한 모터로서, 전자기적 잡음과 기계적 소음이 적고 수명이 길다는 장점이 있다. 현재에는 브러쉬리스 직류 모터가 기기의 고성능화, 경박단소화, 장수명화, 그리고 반도체 기술을 중심으로 한 부품이나 재료의 진보에 따라 비약적인 발전을 이뤄, 가전제품, 정보통신기기, 자동차 산업, 의료기기 등 다양한 분야에서 폭넓게 사용되고 있다.
이러한 브러쉬리스 직류 모터는 통상 영구자석인 회전자와 고정된 계좌 권선인 고정자, 특히 3상의 고정자를 가지며, 홀 센서(hall sensor)와 같은 위치센서에 의하여 회전자의 위치를 검출하며, 검출된 회전자의 위치에 따라 각 고정 자별로 전압의 인가 및 해제가 반복되도록 동작하여 이에 따라 브러쉬리스 직류 모터가 구동하게 된다.
여기서, 회전자가 회전하여 브러쉬리스 직류 모터가 구동하게 되면 자계속을 도선이 움직이는 것과 같은 효과가 발생하게 되어, 각 고정자에 유도기전력인 역기전력이 발생하게 되며, 따라서, 각 고정자에는 인가전압에서 역기전력을 감한 전압에 따라 권선 전류가 흐르게 된다.
따라서, 브러쉬리스 직류 모터의 이상적인 구동 형태는, 홀 센서의 신호 검출과 동시에 고정자의 전압 인가 및 해제, 즉, 고정자의 상전환이 시행되어야 하지만, 모터의 권선 인덕턴스의 영향으로 인해 고정자에 권선 전류가 흐르는 시점이 고정자의 상전환 시점보다 지연되어 나타나게 된다. 특히, 인덕턴스가 크고 모터의 고속 회전 상태일수록 상전류의 지연각은 증가하여 브러쉬리스 직류 모터의 효율 감소 및 토크 성능 감소 등의 문제로 이어질 수 있다.
이와 같은, 문제점을 해결하기 위하여 브러쉬리스 직류 모터를 구동함에 있어서, 상전류 전환을 상전환 시점보다 일정각도(α)만큼 더 앞선 각도에서 시행되는 것이 바람직하다. 여기서 앞선 각도(α)를 진상각(Lead Angle)이라고 하며, α의 크기는 모터의 저항과 인덕턴스, 모터의 회전속도 등에 결정될 수 있다.
종래의 진상각을 제어하기 위한 방법은, 모터의 회전 속도에 따른 진각량을, 입력 신호와 출력 신호의 위상차를 검출하고 전압제어 발진기를 제어하여 출력 신호의 주파수를 항상 일정하게 유지하도록 하는 위상고정루프(Phase Locked Loop, PLL)을 통해 추정하여 진상각 제어를 구현하는 방법과, 진상각에 대한 정보를 커브피팅을 통한 진상각 예측으로 제어하는 방법 등이 알려져 있다. 또한, 본 발명의 발명자가 발명자로서 등재된 한국출원 제10-2015-0159499호(발명의 명칭: 진상각 제어기)에서는, BLDC 모터의 회전 속도에 따른 복수의 고정자의 상전환에 대한 상전류 전환의 지연을 보상하기 위한 진상각을 연산하는 목적함수를 도출하는 목적 함수 도출부와, 상전환 스텝 동안 카운팅 되는 펄스수인 상전환 펄스수를 카운팅 하고, 목적함수를 통해 연산된 진상각에 해당하는 펄스수인 진상각 펄스수를 도출하여, 상전환 스텝 중의 진상각이 제어되는 시점을 결정하는 엔코더를 포함하는 진상각 제어기가 개시된다.
이러한 종래의 진상각 제어기는, 복수의 홀센서 신호와 진상각 보상을 위한 진상각 제어 신호를 조합하여 상전류의 전환 시점이 결정되는데, 복수의 홀센서 신호와 진상각 제어 신호가 정확하게 동기화 되지 못함에 따라 글리치 현상이 발생하게 된다. 이러한 글리치 현상은 원하지 않는 모터 출력을 발생시켜 모터 출력 토크를 감소시키거나 토크 리플을 발생시키는 문제를 야기한다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2015-0159499 A
이에, 본 발명은 모터의 회전자 위치를 검출하는 홀센서 신호와 진상각 보상 시점을 결정하는 진상각 제어 신호를 기반으로 모터의 상전류를 변환하는 과정에서 홀센서 신호와 진상각 제어 신호가 정확하게 동기화되지 않는 경우 발생하는 글리치(glitch) 현상이 발생하는 것을 억제할 수 있는 진상각 제어기를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
브러쉬리스 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치를 검출하는 위치센서;
상기 위치센서의 검출 신호에 기반하여 진상각을 결정하고, 결정된 진상각의 보상 시점을 진상각 제어 신호로 출력하는 진상각 제어부;
상기 위치센서의 검출 신호 및 진상각 제어 신호에 기반하여 상기 브러쉬리스 직류 모터의 고정자의 상전류 스텝을 결정하기 위한 상전류 전환 신호를 출력하는 상전류 전환부; 및
상기 위치센서의 검출 신호 및 진상각 제어 신호 중 적어도 일부가 변경되는 경우 이전의 위치센서의 검출 신호 및 진상각 제어 신호를 소정 시간 동안 유지한 후 일 시점에 위치센서의 검출 신호 및 진상각 제어 신호를 상기 상전류 전환부로 제공하는 신호 유지부;
를 포함하는 진상각 제어기를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 신호 유지부는 상기 위치센서의 검출 신호 및 상기 진상각 제어 신호를 입력으로 하고 컨트롤 펄스에 의해 입력된 값을 소정 시간 동안 유지하는 플립플롭으로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 플립플롭은 소정 주파수를 갖는 컨트롤 펄스의 상승에지 또는 하강에지에서 입력된 값을 출력하고 유지하는 D-플립플롭일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 위치 센서는 상기 브러쉬리스 모터의 회전자에 형성된 S 극 또는 N 극의 자극을 감지할 수 있는 홀 센서일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 상전류 전환부는 상기 위치센서의 검출 신호와 상기 진상각 제어 신호에 따라 사전 설정된 상전류 스텝을 결정하기 위한 상전류 전환 신호를 상기 브러쉬리스 직류 모터에 상전류를 제공하는 인버터로 출력할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
브러쉬리스 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치를 검출하는 위치센서;
상기 위치센서의 검출 신호에 기반하여 진상각을 결정하고, 결정된 진상각의 보상 시점을 진상각 제어 신호로 출력하는 진상각 제어부;
상기 위치센서의 검출 신호 및 진상각 제어 신호에 기반하여 상기 브러쉬리스 직류 모터의 고정자의 상전류 스텝을 결정하기 위한 상전류 전환 신호를 출력하는 상전류 전환부; 및
상기 위치센서의 검출 신호 및 상기 진상각 제어 신호를 입력으로 하고, 소정 주파수의 컨트롤 펄스의 상승 에지 또는 하강 에지 중 하나에서 상기 입력을 상기 상전류 전환부로 출력하고, 상기 컨트롤 펄스의 그 다음 상승 에지 또는 하강 에지가 발생할 때까지 그 이전 출력을 유지하는 플립플롭;
을 포함하는 진상각 제어기를 제공한다.
상기 진상각 제어기에 따르면, 상전류 전환 시 기준이 되는 BLDC 모터의 회전자 위치 검출 신호와 진상각 제어 신호의 동기화가 가능함에 따라 글리치 현상을 억제할 수 있다.
또한, 상기 진상각 제어기에 따르면, 글리치 현상을 억제함으로써 BLDC 모터로 제공되는 상전류와 BLDC 모터의 역기전력의 왜곡을 개선하고, 그에 따라 역기전력과 전류의 곱으로 표현되는 BLDC 모터의 토크 파형이 개선되어 토크 리플 저감 및 운전 안전성에 기여할 수 있다.
또한, 상기 진상각 제어기에 따르면, 토크 리플의 감소에 의해 BLDC 모터의 진동 및 소음이 저감될 수 있으며, 토크 성능 개선으로 인해 BLDC 모터의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 진상각 제어기의 일 예를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 진상각 제어기에 의하여 제거될 수 있는 글리치 현상이 발생하는 경우의 예들을 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 진상각 제어기와 종래의 진상각 제어기의 동작을 비교하여 도시한 타이밍도이다.
도 5는 글리치 현상을 제거하는 기법이 적용되지 않은 진상각 제어기에 의한 BLDC 모터 특성을 도시한 파형이고 도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 진상각 제어기에 의해 글리치 현상이 제거된 진상각 제어기에 의한 BLDC 모터의 특성을 도시한 파형이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 진상각 제어기를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 진상각 제어기의 일 예를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 진상각 제어기는 브러쉬리스 직류(BLDC) 모터(10)의 회전자 위치를 검출하는 위치센서(11)와, 위치센서(11)의 검출 신호에 기반하여 진상각을 결정하고, 결정된 진상각의 보상 시점을 진상각 제어 신호로 출력하는 진상각 제어부(30)와, 위치센서(11)의 검출 신호 및 진상각 제어 신호에 기반하여 브러쉬리스 직류 모터(10)의 고정자의 상전류 스텝을 결정하기 위한 상전류 전환 신호를 출력하는 상전류 전환부(50) 및 위치센서(11)의 검출 신호 및 진상각 제어 신호 중 적어도 일부가 변경되는 경우 이전의 위치센서의 검출 신호 및 진상각 제어 신호를 소정 시간 동안 유지한 후 일 시점에 위치센서의 검출 신호 및 진상각 제어 신호를 상전류 전환부(50)로 제공하는 신호 유지부를 포함하여 구성될 수 있다.
BLDC 모터(10)는 고정자와 회전자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 고정자는 권선계좌의 3상(U, V, W)으로 마련될 수 있으며, 3상(U, V, W)의 고정자는 120도 간격으로 배치되어, 각 고정자에 흐르는 전류의 방향에 따라 자극(N극 또는 S극)으로 작용할 수 있다. 이 예에서, BLDC 모터는 2상 여자 방식, 즉, 3상(U, V, W)의 고정자 중 두 상만 여자되고 나머지 한 상은 여자되지 않는 방식으로 회전자를 회전시킬 수 있다. 즉, BLDC 모터(10)는 3상(U, V, W)의 고정자 중, 두 상의 고정자의 전위차를 선택적으로 발생시키는 6 스텝의 상전환 방식으로서, 회전자를 회전시킬 수 있다.
이상에서, BLDC 모터는 3상(U, V, W)의 고정자를 구비함으로써, 3상(U, V, W)의 고정자가 여자되는 형태(U+, U-, V+, V-, W+, W-)에 따라 6 스텝으로 상전환 되는 것으로 설명되었으나, 고정자의 수에 따라 고정자의 상전환 스텝은 변경될 수 있다. 일 예로, 고정자가 6상으로 제공될 경우에는, 고정자의 상전환이 12 스텝으로 구성되는 것이 가능하다.
이와 같이, BLDC 모터(10)는 복수의 고정자의 상전환을 통해 회전자를 회전시키는 방식으로 구동할 수 있는데, BLDC 모터(10)는 회전자의 회전 상태에 따라서, 3상(U, V, W)의 고정자 중 두 상의 고정자를 여자시켜야 하므로 회전자의 회전 상태에 대한 정보가 명확해야 할 필요가 있다.
예를 들어, 상전환 스텝을 통해 + 전위로 여자된 U 상의 고정자와 - 전위로 여자된 W 상의 고정자 사이에 회전자의 S 극이 정확히 위치하지 않은 상태에서, 고정자가 그 다음의 상전환 스텝으로 전환된 경우, 회전자는 불규칙한 회전 형태를 구현하거나, 회전하는 도중 반대 방향으로 회전하게 될 수 도 있다. 따라서, BLDC 모터(10)는, 회전자의 회전 형태를 정확하게 파악하여, 회전자의 회전이 완료된 후, 복수의 고정자를 다음 스텝으로 상전환 하여 회전자의 회전을 지속시킬 수 있다.
이와 같이, BLDC 모터(10)는 회전자의 회전 상태를 검출하고 이를 통해 회전자의 정확한 회전을 구현하기 위해 위치센서를 필수적으로 구비할 수 있으며, 위치센서는 회전자의 회전 상태를 검출할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않으나, 일 예로, 회전자에 형성된 S 극 또는 N 극의 자극을 감지할 수 있는 홀 센서(hall sensor)(11) 가 주로 사용될 수 있다.
홀 센서(11)는 회전자로부터 감지된 자극의 신호를 전기 신호로 변환하여, 고정자에 전류를 인가하는 인버터에 전송할 수 있다. 여기서, 홀 센서(11)는, 회전자의 자극 중, N 극 또는 S 극을 감지하도록 설계될 수 있으며, 이는 홀 센서(11)의 설계자에 따라 충분히 상이해 질 수 있는 변경 조건일 수 있으나, 본 명세서에서는 설명의 간결화를 위해 홀 센서(11)가 회전자의 N 극을 감지하도록 설계된 것으로 일 예를 설명하기로 한다. 특히, 홀 센서(11)는 3상(U, V, W)의 고정자 사이 각각에 구비될 수 있으며, 본 발명은 3상(U, V, W)의 고정자와 3상(U, V, W)의 고정자 사이에 각각의 홀 센서(11)가 구비되는 예를 설명하기로 한다.
회전자는 3상(U, V, W)의 고정자의 상전환을 통해 회전 가능하며, 이 경우, 회전하는 회전자의 N 극과 대향되는 곳에 위치하는 홀 센서(11)는 회전자의 N 극을 감지할 수 있다. 예를 들어, 일 상전환 스텝에서, 회전자의 N 극이 V 상의 고정자 양측에 위치하는 홀 센서에 의해 감지되며, 그 다음의 상전환 스텝에서 회전자의 N 극이 V 상의 고정자 및 W 상의 고정자 사이에 위치하는 홀 센서에 의해 회전자의 N 극을 감지할 수 있다.
이와 같이, 홀 센서(11)는 회전자의 N 극을 감지하며, 홀 센서(11)에서 회전자의 N을 감지한 신호는 전기적 신호로 변환되어 인버터(20)로 전송될 수 있으며, 인버터(20)는 전송 받은 전기적 신호에 따라 복수의 고정자 중 상전환 되어 여자될 고정자에 전류를 인가할 수 있다. 따라서, 복수의 고정자는 인버터로부터 인가되는 전류를 통해 상전류 전환되고, 이에 따라, 회전자가 회전하게 되는 것이다.
홀 센서(11)를 통한 회전자의 N 극의 감지는 복수의 고정자의 상전환 완료를 감지하는 것으로 이해될 수 있다. 회전자는 3상(U, V, W)의 고정자의 상전환 스텝별 상전환을 통해 회전하며, 회전하는 회전자의 N 극을 홀 센서(11)가 감지한 경우, 해당 상전환 스텝중의 회전자의 회전이 완료된 것으로 이해될 수 있으며, 이어서, 상전환 스텝이 다른 상전환 스텝으로 전환됨으로써, 복수의 고정자는 다시 상전환 되어 회전자의 회전이 지속될 수 있으므로, 홀 센서(11)를 통한 회전자의 N 극 감지는 복수의 고정자의 상전환 완료로 이해되는 것이 타당하다.
또한, 홀 센서(11)는, BLDC 모터(10)의 회전 속도를 검출할 수 있다. 구체적으로, 홀 센서(11C)는 고정자의 상전환 스텝 각각에 따라 회전자의 회전 형태를 감지할 수 있으므로, 홀 센서(11)가 회전자의 회전 및 이의 소요시간을 도출하여 회전자의 회전 속도, 즉, BLDC 모터(10)의 회전 속도를 간단히 감지할 수 있다.
홀 센서(11)를 통한 회전자의 회전 속도 감지에 관련된 기술 내용은 기 대한 사항은 종래의 기술에서도 일반적인 사항이므로 더 이상의 자세한 설명은 생략하기로 한다.
회전자의 지속적인 회전, 즉, BLDC 모터(10)의 지속적인 구동을 위해서는, 홀 센서(11)로부터 제공된 전기적 신호를 통해 인버터(20)가 복수의 고정자의 연속적인 상전류 전환을 시행 해야만 하며, 이를 위해서는, 인버터(20)가 홀 센서(11)로부터 전기적 신호, 즉, 고정자의 상전환 완료 신호를 전송 받음과 동시에 상전환되어 여자될 고정자에 전류를 인가하여 회전자를 회전 시키는 것이 BLDC 모터(10)의 가장 이상적인 구동형태라 할 수 있다.
그러나, 인버터(20)로부터 상전환 되어 여자될 고정자에 전류가 인가되는 경우, 전류가 인가된 고정자에는 그 주위나 내부를 통하는 자속의 변화를 방해하는 작용, 즉, 인덕턴스가 발생하여, 여자될 고정자의 전류 인가, 즉, 상전류 전환이 지연되게 된다. 여기서, 인덕턴스는 흐르는 전류의 주파수가 높아질수록 커지기 때문에, 고정자의 상전환 시점에 비해 상전류의 지연이 더욱 증가하게 되며, 이러한 상전류의 지연은 BLDC 모터(10)의 효율 감소 및 토크 성능 감소 등의 문제로 이어질 수 있다.
따라서, 이와 같은 고정자의 상전환에 대한 상전류 전환의 지연으로 BLDC 모터(10)의 성능이 저하되는 것을 방지하기 위하여 BLDC 구동에 있어서 진상각(Lead Angle) 제어 기법이 도입되어야 하는 것이다.
진상각이란, BLDC 모터(10)의 구동을 위한 전류의 투입 시점으로 설정된 것으로서, BLDC 모터(10)의 구동 시, 진상각 제어를 고정자)의 상전류 전환 시점을 제어할 경우, 고정자의 상전환에 대한 상전류의 지연을 충분히 보상할 수 있다.
본 발명의 발명자가 발명자로서 등재된 한국출원 제10-2015-0159499호(발명의 명칭: 진상각 제어기)에서는, BLDC 모터의 회전 속도에 따른 복수의 고정자의 상전환에 대한 상전류 전환의 지연을 보상하기 위한 진상각을 연산하는 목적함수를 도출하는 목적 함수 도출부와, 상전환 스텝 동안 카운팅 되는 펄스수인 상전환 펄스수를 카운팅 하고, 목적함수를 통해 연산된 진상각에 해당하는 펄스수인 진상각 펄스수를 도출하여, 상전환 스텝 중의 진상각이 제어되는 시점을 결정하는 엔코더를 포함하는 진상각 제어기가 개시된다.
본 발명의 일 실시형태에서, 진상각 제어부(30)는 상기 한국출원 제10-2015-0159499호에 기재된 목적 함수 도출부 및 엔코더를 포함하는 개념으로 이해될 수 있을 것이다. 또한, 한국출원 제10-2015-0159499호에 개시된 진상각 제어 기법과 다른 진상각 도출 기법을 이용하여 진상각을 도출하고 진상각 보상을 위한 시점을 출력하는 형태의 모든 진상각 제어기가 본 발명의 진상각 제어부(30)로서 적용될 수 있다.
상전류 전환부(50)는 상전환을 통해 여자될 BLDC 모터(10)의 고정자에 전류의 인가를 제어하여 고정자의 상전류 전환을 제어할 수 있다. 상전류 전환부(50)는 진상각 제어부(30)에서 제공되는 진상각 제어 신호와 BLDC 모터(10)에 설치된 위치센서(11)(즉, 홀센서)의 신호에 기반하여 상전류 전환을 제어할 수 있다.
예를 들어, 상전류 전환부(50)는 위치센서(11)의 신호와 진상각 제어신호를 조합하여 사전 설정된 상전류 스텝을 결정하기 위한 상전류 전환 신호를 인버터(20)로 출력할 수 있다. 인버터(20)에는 각 상의 전류를 생성하기 위한 복수의 스위칭 소자를 포함할 수 있으며, 각 마다 두 개의 스위칭 소자를 구비하여 해당 상의 두 스위칭 소자가 교번하여 온/오프 제어됨으로써 상전류가 결정될 수 있다. 이 때 각 상 마다 구비된 두 스위칭 소자 각각에 대해 상전류 전환부(50)에서 제공되는 상전류 전환 신호를 U+, U-, V+, V-, W+, W-로 표시할 수 있다.
상전류 전환부(50)는 신호 유지부(40)로부터 위치센서(11)의 검출 신호 및 진상각 제어 신호를 입력 받을 수 있다.
신호 유지부(40)는 위치센서(11)의 검출 신호 및 진상각 제어 신호가 변경되는 경우 이전의 위치센서의 검출 신호 및 진상각 제어 신호를 소정 시간 동안 유지하고 일 시점에 변경된 위치센서의 검출 신호 및 진상각 제어 신호를 상전류 전환부(50)로 제공한다.
즉, 신호 유지부(40)는 위치센서(11)의 검출 신호 및 진상각 제어 신호가 상호 동기화 되지 못하고 일부만 변경되는 경우에도, 그 이전의 위치센서(11)의 검출 신호 및 진상각 제어 신호를 지속적으로 유지하여 상전류 전환부(11)로 제공하여 상전류 스텝의 전환이 이루어지지 못하게 하고, 그 이후에 일정 시점이 경과한 후 위치센서(11)의 검출 신호 및 진상각 제어 신호를 상전류 전환부(11)로 일시에 출력되게 한다. 이로써 본 발명의 일 실시형태에 따른 진상각 제어기는 위치센서(11)의 검출 신호 및 진상각 제어 신호가 상호 동기화 되지 못하여 발생하는 글리치 현상을 감소시킬 수 있게 된다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 진상각 제어기에 의하여 제거될 수 있는 글리치 현상이 발생하는 경우의 예들을 도시하는 도면이다.
도 2 및 도 3에서 'phase'는 상전류 스텝을 나타내고,'PDC'는 진상각 제어 신호를 나타내며, Hall sensor는 복수의 홀센서에서 출력되는 BLDC 모터의 회전각 위치 검출 신호이고, Phase order는 진상각 제어 신호 및 위치 검출 신호에 기반하여 결정되는 상전류 전환 신호를 나타낸다. 또한, 각 신호를 '0'과 '1'로 표현한 것은 각 신호의 disable 및 enable 상태를 나타낸 것이다.
먼저, 도 2를 참조하면, 스텝 1에서 진상각 제어 신호가 enable 상태이고, 홀센서 중 H2가 enable 상태인 경우 상전류 전환부(50)에서 출력되는 상전류 전환 신호는 'U+, U-, V+, V-, W+, W-' 순서대로 '0, 0, 0, 1, 1, 0'이다. 이는 진상각 보상을 위해 스텝 1의 다음 스텝인 스텝 2의 상전류 전환신호를 먼저 출력할 수 있도록 홀센서 신호가 스텝 1에 지정된 홀 센서 신호를 유지하더라도 진상각 제어부(30)가 진상각 제어 신호를 enable 시킨 것이다.
이상적으로 동작하는 경우, 스텝 2로 진입하면 도 2에 도시된 표의 가장 아래 행과 같이, 진상각 제어 신호가 disable 상태가 되고, 홀센서 중 H2와 H1이 enable 상태가 되어, 스텝 1에서 진상각 제어 신호가 enable 상태였을 때와 같이 상전류 전환부(50)에서 'U+, U-, V+, V-, W+, W-' 순서대로 '0, 0, 0, 1, 1, 0'의 상전류 전환 신호가 출력되어야 한다. 그러나, 이상적인 동작이 이루어지지 못하고 진상각 제어부(30)에서 출력되는 진상각 제어 신호가 먼저 disable 되고 홀센서 신호는 스텝 1의 홀센서 신호가 유지될 때 상전류 전환부(50)에서는 원하지 않는 출력, 즉 진상각 제어 신호가 disable 상태이고 홀센서 H2의 신호만 enable 인 경우에 출력하는 상전류 전환 신호를 출력하게 된다. 이러한 진상각 제어기의 동작이 글리치 현상을 발생시키게 되는 것이다.
도 3은 스텝 1에서 진상각 제어 신호가 enable이 유지된 상태에서 홀센서 신호가 먼저 변경되거나 진상각 제어 신호가 disable 상태로 늦게 전환된 경우를 나타낸다. 이 경우 역시 스텝 1과 스텝 2 사이에서 상전류 전환부(50)는 원하지 않는 상전류 전환 신호를 출력하게 되고 이는 글리치 현상이 발생하는 원인이 된다.
본 발명의 여러 실시형태에서는 전술한 것과 같은 글리치 현상의 원인을 제거하기 위해 신호 유지부(40)를 구비한다.
전술한 바와 같이, 신호 유지부(40)는 위치센서(11)의 검출 신호 및 진상각 제어 신호가 상호 동기화 되지 못하고 일부만 변경되는 경우에도, 그 이전의 위치센서(11)의 검출 신호 및 진상각 제어 신호를 지속적으로 유지하여 상전류 전환부(11)로 제공하여 상전류 스텝의 전환이 이루어지지 못하게 하고, 그 이후에 일정 시점이 경과한 후 위치센서(11)의 검출 신호 및 진상각 제어 신호를 상전류 전환부(11)로 일시에 출력되게 한다. 즉, 위치센서(11)의 검출 신호(복수의 홀 센서 신호) 및 진상각 제어 신호 중 적어도 일부가 먼저 변경되는 경우에도 이를 바로 반영하지 않고 이전의 신호를 지속적으로 유지하게 한 후 일정 시간이 경과한 다음 입력되는 위치센서(11)의 검출 신호 및 진상각 제어 신호를 상전류 전환부(50)로 제공되게 한다. 즉, 신호 유지부(40)는, 상전류 전환부(50)가 상전류 전환 신호를 출력하는데 요구되는 신호가 모두 변경될 수 있도록 지연 시간을 지연 시간 동안에는 이전의 위치센서(11)의 검출 신호 및 진상각 제어 신호를 유지하게 하며, 지연시간이 경과한 후에는 위치센서(11)의 검출 신호 및 진상각 제어 신호의 전체 변경값을 일시에 상전류 전환부(50)에 제공하게 함으로써 위치센서(11)의 검출 신호 및 진상각 제어 신호가 상호 동기화 되지 못하여 발생하는 글리치 현상을 감소시킬 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시형태에서, 신호 유지부(40)는 플립플롭으로 구현될 수 있다. 특히, 신호 유지부(40)는 복수의 위치센서(11)의 검출 신호 및 진상각 제어 신호 마다 각각 하나씩 구비되는 복수의 D-플립폴롭을 포함할 수 있으며, 복수의 D-플립플롭은 공통의 컨트롤 펄스(CP)에 의해 작동할 수 있다.
D-플립플롭은 컨트롤 펄스를 이용하여 입력을 일정 시간 동안 유지하였다가 출력하기 위한 장치로서 복수의 논리 소자로 구현될 수 있다. 즉, D-플립플롭은 컨트롤 펄스의 상승 에지(또는 하강 에지)에서 입력된 데이터를 출력하는 장치이다. D-플립플롭은 당 기술 분야에 이미 공지된 장치이므로 도면을 통한 설명은 생략하여도 통상의 기술자가 본 발명을 실시 가능할 정도로 이해하기 충분하다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 진상각 제어기와 종래의 진상각 제어기의 동작을 비교하여 도시한 타이밍도이다.
도 4에는 제1 스텝의 상전류 상태에서 제2 스텝의 상전류 상태로 변환하는 과정에서 상전류 전환부(50)로 입력되는 위치센서(11)의 검출 신호 및 진상각 제어 신호가 동기화 되지 못하는 경우 제1 스텝과 제2 스텝 사이에서는 글리치 현상이 발생하게 된다.
이에 반해, 본 발명의 일 실시형태에서는 D-플립플롭으로 구현되는 신호 유지부(40)에 의해, 위치센서(11)의 검출 신호 및 진상각 제어 신호 중 적어도 일부가 변경되는 시점(T1)에서도 계속 제1 스텝의 상전류를 유지할 수 있으며, D-플립플롭의 컨트롤 펄스(CP)가 T1 시점 이후의 최초 상승 에지를 형성하는 시점(T3)에 동시에 위치센서(11)의 검출 신호 및 진상각 제어 신호가 상전류 전환부(50)에 제공될 수 있다. 즉, 신호 유지부(40)는, 종래에 글리치 현상이 발생하는 구간 동안에 그 이전의 제1 스텝에서 상전류 전환부(50)에 제공되는 위치센서(11)의 검출 신호 및 진상각 제어 신호가 계속 유지되게 하고, T1 내지 T3 시점 동안 위치센서(11)의 검출 신호 및 진상각 제어 신호 모두가 변경될 수 있는 시간을 확보하여 위치센서(11)의 검출 신호 및 진상각 제어 신호가 모두 변경된 이후에 동시에 변경된 위치센서(11)의 검출 신호 및 진상각 제어 신호를 상전류 전환부(50)로 제공되게 한다.
여기서, 컨트롤 펄스(CP)는 위치센서(11)의 검출 신호 및 진상각 제어 신호가 변경되는 시점들이 갖는 오차를 감안하여 적절하게 결정될 수 있으며, 실제 BLDC 모터에서 검출 신호 및 진상각 제어 신호가 변경되는 시점의 오차가 매우 짧은 점을 고려할 때, 컨트롤 펄스(CP)는 큰 주파수를 갖도록 설정함으로써 글리치 현상을 제거함과 동시에 진상각을 보상하는 효과를 극대화 할 수 있다.
도 5는 글리치 현상을 제거하는 기법이 적용되지 않은 진상각 제어기에 의한 BLDC 모터 특성을 도시한 파형이고 도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 진상각 제어기에 의해 글리치 현상이 제거된 진상각 제어기에 의한 BLDC 모터의 특성을 도시한 파형이다.
도 5 및 도 6을 비교하면, 글리치 현상을 제거하기 위한 기법을 적용하지 않은 경우(도 5), BLDC 모터로 제공되는 상전류와 BLDC 모터의 역기전력의 파형이 심각하게 왜곡되는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 글리치 현상을 제거하기 위한 기법을 적용한 경우(도 6), BLDC 모터로 제공되는 상전류와 BLDC 모터의 역기전력 파형에서 왜곡이 현저하게 개선되는 것을 확인할 수 있다. BLDC 모터의 토크는 역기전력과 전류의 곱으로 나타낼 수 있으므로 토크 파형이 개선되어 토크 리플 저감 및 운전 안전성에 기여할 수 있다. 또한, 토크 리플의 감소에 의해 BLDC 모터의 진동 및 소음이 저감될 수 있으며, 토크 성능 개선으로 인해 BLDC 모터의 효율을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10: 브러쉬리스 직류 모터 11: 위치센서(홀센서)
20: 인버터 30: 진상각 제어부
40: 신호 유지부 50: 상전류 전환부

Claims (8)

  1. 브러쉬리스 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치를 검출하는 위치센서;
    상기 위치센서의 검출 신호에 기반하여 진상각을 결정하고, 결정된 진상각의 보상 시점을 진상각 제어 신호로 출력하는 진상각 제어부;
    상기 위치센서의 검출 신호 및 진상각 제어 신호에 기반하여 상기 브러쉬리스 직류 모터의 고정자의 상전류 스텝을 결정하기 위한 상전류 전환 신호를 출력하는 상전류 전환부; 및
    상기 위치센서의 검출 신호 및 진상각 제어 신호 중 적어도 일부가 변경되는 경우 이전의 위치센서의 검출 신호 및 진상각 제어 신호를 상기 위치 센서의 검출 신호 및 진상각 제어 신호 모두가 변경되기까지 유지한 후 일 시점에 위치센서의 검출 신호 및 진상각 제어 신호를 상기 상전류 전환부로 제공하는 신호 유지부;
    를 포함하는 진상각 제어기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 신호 유지부는 상기 위치센서의 검출 신호 및 상기 진상각 제어 신호를 입력으로 하고 컨트롤 펄스에 의해 입력된 값을 소정 시간 동안 유지하는 플립플롭으로 구현된 것을 특징으로 하는 진상각 제어기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 플립플롭은 소정 주파수를 갖는 컨트롤 펄스의 상승에지 또는 하강에지에서 입력된 값을 출력하고 유지하는 D-플립플롭인 것을 특징으로 하는 진상각 제어기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 위치 센서는 상기 브러쉬리스 직류 모터의 회전자에 형성된 S 극 또는 N 극의 자극을 감지할 수 있는 홀 센서인 것을 특징으로 하는 진상각 제어기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 상전류 전환부는 상기 위치센서의 검출 신호와 상기 진상각 제어 신호에 따라 사전 설정된 상전류 스텝을 결정하기 위한 상전류 전환 신호를 상기 브러쉬리스 직류 모터에 상전류를 제공하는 인버터로 출력하는 것을 특징으로 하는 진상각 제어기.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 플립플롭은,
    상기 위치센서의 검출 신호 및 상기 진상각 제어 신호를 입력으로 하고, 소정 주파수의 컨트롤 펄스의 상승 에지 또는 하강 에지 중 하나에서 상기 입력을 상기 상전류 전환부로 출력하고, 상기 컨트롤 펄스의 그 다음 상승 에지 또는 하강 에지가 발생할 때까지 그 이전 출력을 유지하는 것을 특징으로 하는 진상각 제어기.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 위치 센서는 상기 브러쉬리스 직류 모터의 회전자에 형성된 S 극 또는 N 극의 자극을 감지할 수 있는 홀 센서인 것을 특징으로 하는 진상각 제어기.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 상전류 전환부는 상기 위치센서의 검출 신호와 상기 진상각 제어 신호에 따라 사전 설정된 상전류 스텝을 결정하기 위한 상전류 전환 신호를 상기 브러쉬리스 직류 모터에 상전류를 제공하는 인버터로 출력하는 것을 특징으로 하는 진상각 제어기.
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